Dasar Keteknikan Pengolahan

DASAR KETEKNIKAN PENGOLAHAN

Fithri Choirun Nisa

MATERI: PREPARASI BAHAN BAKU PENGECILAN UKURAN PENCAMPURAN SEDIMENTASI PENDINGINAN PEMBEKUAN PUSTAKA: Fellows, P., Food Processing Technology: Principles and Practices

PREPARASI BAHAN BAKU Bahan baku:

* kontaminan * komponen inedible * karakteristik fisik bervariasi

Preparasi

PREPARASI: * Pembersihan * Sortasi * Grading * Pengupasan

PEMBERSIHAN

* Dilakukan pada tahap paling awal dalam proses pengolahan

* Kategori : - Cara basah * Sifat bahan - Cara kering * Tipe kontaminan

Tipe kontaminan: - Logam- Bahan kimia - Mineral - Sel mikrobia - Tanaman - Produk mikrobia - Binatang

Cara basah:tanah, debu, residu pestisida

+ tidak berdebu resiko kerusakan lebih kecil volume limbah & kebutuhan air

Alat: spray washer, brush washer, drum washer, flotation tank

Cara kering: bahan kecil, kuat, k.a. rendah kebutuhan alat tambahan utk mencegah debu Alat: air classifier, magnetic separator, ayakan

Air classifier

Magnetic separator

SORTASI

* Sortasi bentuk

Alat: belt and roller sorter, disc sorter, image processing

* Sortasi ukuran

Alat: - Fixed-aperture screens (flat bed sreen dan drum screen: konsentrik, paralel, dan seri) - Variable-aperture screens - Image processing

* Sortasi warna Alat: color sorter

* Sortasi berat

GRADING

* Penentuan sejumlah atribut utk mendapatkan mutu keseluruhan dari bahan

sortasi bagian dari grading

* Grading dilakukan oleh operator terlatih atau hasil analisis lab.

PENGUPASAN

Metode:- flash steam bahan dikontakkan dgn steam suhu & tekanan tinggi permukaan mengalami flash off

knife buah jeruk - abrasion bahan dikontakkan dengan carborondum roller

- caustic bahan dicelupkan dalam lar. NaOH (lye)10%

flame bahan dilewatkan furnace >1000C bawang

PENGECILAN UKURANManfaat:* Peningkatan A/V peningkatan kec. transfer panaspeningkatan kecepatan ekstraksi

* Ukuran partikel tertentusifat fungsional & pengolahan

* Ukuran partikel yang samapencampuran yg sempurna

Berdasar bahan:

* Pengecilan ukuran bahan padat* Pengecilan ukuran bahan cair

Pengecilan Ukuran Bahan PadatGaya yang diberikan:

- CompressionFracture friable / crystalline

- ImpactFibrous

- Shearing Fine grinding (attrition) (softer)

StrongWeakHardSoftEEBBBBBY

Stress Deformasi < elastic stress limit (E) bahan kembali ke bentuk awal energi dilepas sbg panas

> elastic stress limit (E) deformasi permanen

> yield point (Y) bergerak

> breaking stress patah sepanjang lines of weakness energi dilepas sbg suara & panas

Energi untuk pengecilan ukuran:

Kekerasan (hardness)Tendensi untuk patah (friability)

Hukum Kickcoarse grindingHukum Rittingerfine grindingHukum Bonddiantara keduanya

Hukum Kick:

E rasio ukuran awal dan akhir

E = KK.ln d1 d2 E = energi per unit massa bahan (J)KK = konstanta Kickd1 = ukuran bahan awal (m)d2 = ukuran bahan hasil gilingan (m)d1 / d2 = rasio pengecilan ukuran yang digunakan untuk mengevaluasi performan relatif dari alat

Hukum Rittinger:

E perubahan luas permukaan bahan

E = KR. 1 - 1 d2 d1 E = energi per unit massa bahan (J)KK = konstanta Rittingerd1 = ukuran bahan awal (m)d2 = ukuran bahan hasil gilingan (m)

Hukum Rittinger

P = KR.T. (1/Dvsb 1/Dvsa)

P = daya yang diperlukan (Hp)KR = konstanta RittingerT = kecepatan umpan (ton/menit)Dvsa = diameter sebelum dikecilkan (inci)Dvsb = diameter sesudah dikecilkan (inci)

Hukum Bond:

E = 100 - 100 W d2 d1 E = energi per unit massa bahan (J)W = indeks kerja Bond (J.kg-1) d1 = diameter ayakan 80% bahan awal lolos (m)d2 = diameter ayakan 80% hasil gilingan lolos

Hukum Bond P = 1,46. T. Wi. (1/Dpb 1/Dpa) P = daya yang diperlukan (Hp) T = kecepatan umpan (ton/menit) Dpa = diameter ayakan, 80% umpan lolos (ft) Dpb = diameter ayakan, 80% produk lolos (ft) Wi = indeks kerja (kW/jam/ton umpan)

Contoh :

Suatu alat penggiling menggunakan motor dengan daya 15 Hp dan kecepatan pengumpanan 8 ton/jam mampu menghasilkan partikel hasil gilingan dengan ukuran 0,3 mm dari partikel yang berukuran 6 mm. Jika hasil gilingan digiling lagi dengan alat yang sama, berapakah ukuran partikel yang mampu dihasilkan?

Contoh :

Suatu alat penggiling menggunakan motor dengan daya 15 Hp dan kecepatan pengumpanan 8 ton/jam digunakan menggiling bahan sebanyak 750 kg yang berukuran 6 mm. Hasil gilingan lolos ayakan 100 mesh 300 kg, 65 mesh 200 kg, 48 mesh 250 kg.Jika kecepatan pengumpanan dinaikkan menjadi 10 ton/jam, berapakah ukuran partikel yang mampu dihasilkan?

Ayakan standar Tyler

Diakui oleh Biro Standar AS (1910)

Lubang ayakan : * persegi * mesh = lubang / inci

Ukuran lubang ayakan di atasnya = 2. (1,414) kali

Ayakan

Skala Ayakan

MeshDp (cm)MeshDp (cm)468101420280,46990,33270,23620,16510,11680,08330,05893548651001502000,04170,02950,02080,01470,01040,0074

Kehalusan Hasil Gilingan

Tingkat kehalusan dinyatakan dalam:a. Modulus kehalusanb. Indeks keseragaman

Modulus kehalusan:tingkat kehalusan hasil gilingan & dinyatakan sbg jumlah dari berat fraksi-fraksi yang tertinggal dalam setiap ayakan dibagi 100.

Ayakan: standar RO-Tap: 3/8; 4-8-14-28-48-100 mesh

Ukuran diameter rata-rata (D)D = 0,0041.(2)FMD = ukuran diameter rata-rata (inci)FM = modulus kehalusan

b. Indeks Keseragaman:distribusi kasar, sedang, & halus dari partikel hasil gilingan

Ayakan: 8 dan 28 (jika modulus kehalusan tidak diperlukan)

Modulus kehalusan

Modulus kehalusan = 312/100 = 3,12

MeshBahan yg tertinggal (%)Faktor pengaliHasil3/848142848100Pan1,02,57,024,035,522,57,50,00765432107,015,035,096,0105,545,07,50,0Jumlah100,0Jumlah312,0

b. Indeks Keseragaman

Indeks Keseragaman = 1 : 6 : 3

MeshBahan yg tertinggal (%)Jumlah dibagi 10Hasilpembulatan3/848142848100Pan1,02,5 7,0 10,524,0 35,5 59,522,57,5 0,00 30,0

1,05

5,95

3,00Kasar1Sedang6

Halus3

Peralatan

Roller millEkstruder

Ball mill

Disc mill

Pengecilan Ukuran Bahan CairEmulsifikasiHomogenisasi

Emulsifikasi:

pembentukan emulsi yg stabil dgn pencampuran dua/lebih cairan yang tdk saling larut, shg satu bagian (fase terdispersi) terdispersi dalam btk droplet yg sangat kecil pd bagian yg kedua (fase kontinu)

Homogenisasi:

pengecilan ukuran (ke 0,5 0,3 m) & peningkatan jumlah partikel padat atau cair dari fase terdispersi, gdn menggunakan shearing force utk meningkatkan ikatan & stabilitas dari dua bagian

Faktor yang Mempengaruhi Stabilitas Emulsi:

v = D2.g.(p - s) 18.

v = kecepatan pemisahan faseD = diameter droplet fase terdispersig = percepatan gravitasip = densitas fase terdispersis = densitas fase kontinu = viskositas fase kontinu

PeralatanHomogeniser

TujuanMendapatkan campuran yang seragamMendispersikan satu bagian dlm bagian yang lain

Industri: pencampuran ingredient

sifat fungsional karakteristik sensorik

PENCAMPURAN

Berdasar bahan: * Pencampuran bahan padat * Pencampuran bahan cair

Pencampuran Bahan PadatCampuran yg seragam sempurna not possibleKeseragaman waktu(komposisi)

Komposisideviasi standarm = 1 ( x x )2 n 1

m = deviasi standarn = jumlah sampelx = konsentrasi komponen dlm tiap sampelx = konsentrasi sampel rata-rata

M1 = m - o -

M2 = log m - log log o - log

M3 = m2 - 2 o2 - 2

M = indeks pencampuran = deviasi standar sampel yg tercampur sempurna o = deviasi standar pd awal pencampuran m = deviasi standar selama pencampuran

o = V1. (1 V1)V1 = fraksi volume atau massa komponen dlm campuran

M1 = massa komponen yg dicampur hampir sama dan/atau pada kecepatan pencampuran yg rendah M2 = satu komponen dlm jumlah kecil dicampurkan dalam bahan dgn jumlah >, dan/atau kecepatan pencampuran yg tinggi M3 = pencampuran padat / cair dgn cara M1

Hubungan Indeks Pencampuran & Waktu

ln M = -K. tm

K = konstanta kecepatan pencampuran (tipe mixer & sifat bahan)tm = waktu pencampuran

Contoh :Dalam proses penyiapan adonan, 3 kg gula dicampurkan dengan 5 kg tepung. Setelah 5, 10, dan 15 menit pencampuran, dilakukan analisis persentase gula dengan mengambil 5 sampel dengan masing-masing berat 1 g.

Data hasil analisis adalah sebagai berikut:

% setelah 5 menit 0,25 0,33 0,41 0,46 0,51 % setelah 10 menit 0,32 0,34 0,40 0,41 0,33 % setelah 15 menit 0,36 0,38 0,37 0,39 0,35

Hitung indeks pencampuran (M) untuk tiap waktu pencampuran dan hitung waktu pencampuran yang diperlukan untuk mencapai pencampuran yang sempurna! (Asumsikan bahwa pencampuran yang sempurna tercapai jika nilai deviasi standar () 0,01 dan nilai M 0,01.

PeralatanTumbling mixer

Ribbon mixer

Vertical screw mixer

Mixing of yeast into dough

For a particular bakery operation, it was desired to mix dough in 95 kg batches and then at a later time to blend in 5 kg of yeast. For product uniformity it is important that the yeast be well distributed and so an experiment was set up to follow the course of the mixing. It was desired to calculate the mixing index after 5 and 10 min mixing.Sample yeast compositions, expressed as the percentage of yeast in 100 g samples were found to be:After 5 min 0.0 16.5 3.2 2.2 12.6 9.6 0.2 4.6 0.5 8.5 After 10 min 3.4 8.3 7.2 6.0 4.3 5.2 6.7 2.6 4.3 2.0for how much longer should the mixing continue to reach the specified maximum sample composition variance and M of 0.01?

Pencampuran Bahan CairTujuan:

Mencampurkan dua cairan yg saling larut

Melarutkan padatan dlm cairan

Mendispersikan gas dlm cairan

Meningkatkan transfer panas

PeralatanTipe Propeller

Kecepatan: 400 1750 rpmLow viscosity

Tipe PaddleKecepatan : 20 200 rpmYg sering digunakan: two-bladed & four bladedTotal panjang impeller = 60 80% diameter tangkiLebar blade = 1/6 1/10 panjangnyaAnchor / gate paddle viscous liquid

Tipe TurbinMultibladed paddle agitatorKecepatan tinggiViskositas bervariasiDiameter turbin = 30-60% diameter tangki

Penggunaan TenagaBilangan Reynold (NRe)

NRe = Da2.N. Da = diameter impeller / agitator (m)N = kecepatan rotasional (rev/detik) = densitas cairan (kg/m3) = viskositas (kg/m.detik)

NRe < 10 laminarNRe > 100000 turbulent10 < NRe < 100000 transisional

- Power Number (Np)Np = P .N3.Da5P = tenaga (J/detik atau W)

(Np diperoleh dari grafik)dihitung nilai P

Densitas campuran (m)

m = V1.1 + V2.2

Viskositas campuran (m)

m = 1V1 . 2V2 (unbaffled)

m = 1 1 + 1,5. 2.V2 (baffled) V1 1 + 2

ContohMinyak zaitun dan minyak rapeseed dicampurkan dengan rasio 1 : 4 menggunakan agitator propeller berdiameter 20 cm yang beroperasi pada kecepatan 750 rpm dalam tangki silinder berdiameter 1 m dan lebar baffle 10 cm. Lebar pitch sama dgn diameter propeller. Hitung tenaga motor yang diperlukan?

Minyak zaitun mempunyai viskositas0,084 N.s.m-2 & densitas 910 kg.m-3Minyak rapeseed mempunyai viskositas 0,118 N.s.m-2 & densitas 900 kg.m-3

SEDIMENTASI: pemisahan partikel dari zat alir dengan gaya gravitasi

partikelpadat, cair (tetesan) zat alir cair, gas (diam, bergerak)

Tipe SedimentasiFree Settling: partikel mempunyai jarak cukupdinding wadah Dp:Dc < 1 : 200partikel lainkonsentrasi < 0,2% v

Hindered Settling: partikel penuhkecepatan lebih rendah

Derivasi persamaan dasar:

Gaya pd partikel rigid yang bergerak dalam zat alir: Gravitasi : ke bawah Buoyant force: ke atas Drag force: berlawanan dgn arah gerak partkel

Buoyant force (Fb) dalam N

Fb = m..g = Vp..g p

p = densitas partikel (kg/m3) = densitas zat alir (kg/m3)m = massa partikel (kg)v = kecepatan relatif partikel terhadap zat alir (m/detik)g = percepatan gravitasi (m/detik2)Vp = m = volume partikel (m3) p

Gravitational force (Fg) Fg = m.g

Drag / resistance force (Fd)Fd = CD .v2..A 2 CD = koefisien drag A= luas partikel v2 = velocity head dari zat alir 2

Resultant forcegaya oleh percepatan

m.dv = Fg Fb Fd dt

m.dv = m.g m..g CD.v2..A dt p 2

Periode settling

Periode akselerasi: sangat singkat (1/10 detik)Periode kecepatan konstan (percepatan = 0)free settling / terminal velocity (vt)

Terminal velocity (vt)

dv= 0dt

vt = 2.g.(p - ).mPersamaan A. p.CD. umum

Partikel bulatm = .Dp3.p/6A = .Dp2/4

vt = 4.(p - ).g.Dp Partikel 3.CD. bulat

vt ( m/detik)g ( 9,80665 m/detik2)Dp (m)

Drag coefficient

CD (bulat, rigid) : fungsi bilangan Reynold (NRe)

NRe = Dp.v.

Aliran laminar (NRe < 1)

CD = 24= 24 Dp.v./ NRe

= viskositas zat alir (Pa.detik.kg/m.detik)

vt = g.Dp2.(p - ) Partikel bulat,18.Aliran laminar (Hk. Stoke)

Contoh:

Droplet minyak mempunyai diameter 20 m dijatuhkan di udara suhu 37,8C pada tekanan 101,3 kPa. Densitas minyak 900 kg/m3. Hitung terminal velocity dari tetesan minyak tersebut.

Penyelesaian :

Diketahui : Dp = 2,0 . 10-5 m p = 900 kg/m3 Dari Appendix A.3.: udara 37,8 C = 1,137 kg/m3 = 1,90 . 10-5 Pa.detikTetesan diasumsikan bulat, rigid

Penyelesaian trial & error

NRe = Dp.vt. = (2,0.10-5).(vt).(1,137)1,90.10-5NRe = 1,197.vt

vt = 4.(p - ).g.Dp 3.CD. = 4.(9001,137). 9,8066.(2,0.10-5) 3.CD.1,137 = 0,2067/ CD

CD = 0,2067 / vt2

Asumsi 1 : vt = 1 m/detikNRe = 1,197 . 1 = 1,197CD = 0,2067 / (1)2 = 0,2067

Asumsi 2 : vt = 0,1 m/detikNRe = 1,197 . 0,1 = 0,1197CD = 0,2067 / (0,1)2 = 20,67

Asumsi 3 : vt = 0,5 m/detikNRe = 1,197 . 0,5 = 0,5985CD = 0,2067 / (0,5)2 = 0,828

Ketiga nilai NRe & CD diplotkan kurva garis lurus

Perpotongan garis & kurva NRe = 0,012 = 1,197.vt vt = 0,0100 m/detik

NRe < 1aliran laminar (Hk. Stoke)

vt= 9,8066.(2,0.10-5)2(900-1,137)18.(1,90.10-5) vt= 0,0103 m/detik

...

Keadaan-keadaan lain

. Jika partikel tidak bulat Digunakan persamaan yg sama, DDs Ds = D x nilai spheresitas Nilai spheresitas : bola= 1,00 kubus = 1,24

Jika tidak dalam keadaan laminar (turbulan)

vt = 4.(p - ).g.Dp 3.CD.

CD dapat diperoleh dari: - grafikfungsi - pendekatan NRe

Pendekatan:

NRe 1 Hk. Stoke

1 < NRe < 1000 CD= 18,5 (NRe)0,6

1000 < NRe < 200.000 CD= 0,44

NRe > 200.000 CD = 0,20

Hindered settling Kecepatan settling < Hk. Stoke m = p p = 1101,82 (1 - )

m = viskositas campuran p = faktor koreksi empirik = fraksi volume cairan dalam campuran

m = . + (1 - ) p

m = densitas campuran

p - m = p - [. + (1- ). p]

= (p - )

m(p - ) p - m

vt = g.Dp2.(p - ).(2.p)18.

NRe = Dp.vt.m = Dp .g. (p - ).m..p2 m. 18. 2

ContohHitung kecepatan pengendapan partikel bulat, diameter 1,554 x 10-4 m dalam air pada suhu 20C. Slurry mengandung 60% berat padatan. Densitas partikel p = 2467 kg/m3.

PenyelesaianDensitas air, = 998 kg/m3Viskositas air, = 1,005 . 10-3 Pa.detik

= 40/998 = 0,622 40/998 + 60/2467

m = . + (1 - ) p = (0,622).(998) + (1 - 0,622)(2467) = 1553 kg/m3

p = 1 = 1 = 0,205 101,82 (1 - ) 101,82 (1 0,622)

vt = (9,807)(1,554.10-4)2(2467-998)(0,6222.0,205)18.(1,005.10-3) = 1,525.10-3 m/detik

NRe = Dp.vt.m (/p) . = (1,554.10-4).(1,525.10-3)(1553) = 0,121 (1,005.10-3/0,205).(0,622)

laminar